Verschleißfestigkeit von Metallen und PCTFE bei kryogener Temperatur

In kryogenen Umgebungen sind PTFE (Polytetrafluorethylen) und PCTFE (Polychlortrifluorethylen) die am häufigsten verwendeten Fluorpolymere. Fluorpolymere sind Polymere, bei denen die Atome modifiziert wurden. Konkret sind durch Substitution Fluoratome an die Stelle von Wasserstoffatomen getreten. Dieser Prozess der Atomsubstitution hat die chemische und thermische Beständigkeit des Materials verbessert. So wird beispielsweise die Flammenausbreitung verzögert oder sogar gehemmt, die kritische Oberflächenspannung reduziert und die dielektrischen Eigenschaften verbessert [31]. In vielen Anwendungen können Fluorpolymere als Ersatz für andere weniger beständige oder leicht abbaubare Polymere verwendet werden.

Im Weltraumbereich, insbesondere bei der Entwicklung von Raumfahrtantriebsmotoren, verwenden Techniker flüssigen Sauerstoff. Für diese Experten ist die Kenntnis der Konzepte der Verschleißmechanismen unerlässlich, und um leistungsstarke und effiziente Motoren entwickeln zu können, ist die Verwendung von flüssigem Sauerstoff unverzichtbar, da er eines der wenigen Elemente ist, die tribologische Eigenschaften aufweisen: flüssiger Zustand, Reaktivität und Tieftemperatur. In kryogenen Umgebungen werden Polymere im Allgemeinen in der Tribologie eingesetzt, wo sie zu einer Art Festschmierstoff werden.

Zwei unterschiedliche und wichtige Temperaturen bestimmen die Eigenschaften von Polymeren, insbesondere von PTFE und PCTFE: die Glasübergangstemperatur (Tg) und der Schmelzpunkt. Der Glasübergang ist der Übergang vom viskosen in den gummiartigen Zustand eines Polymers. Wenn die Temperatur niedriger als die Glasübergangstemperatur (Tg) ist, bleiben Polymere in einem starren Zustand: Makromoleküle sind nicht leicht verformbar. Aber wenn die Temperatur die Glasübergangstemperatur (Tg) übersteigt, sind Verformungen leichter und werden wichtiger.

In einer Umgebung, in der die Temperaturen unter der Glasübergangstemperatur (Tg) liegen, gewinnen Polymere an Zugfestigkeit [27]. Aber bei kryogenen Temperaturen neigen Polymere dazu, weniger widerstandsfähig, zerbrechlicher zu werden. PTFE- und PCTFE-Polymere behalten jedoch eine gewisse Duktilität bei, wenn sie kryogenen Temperaturen ausgesetzt werden. Polymere sind bei niedrigen Temperaturen hart, aber diese Härte wird bei Raumtemperatur schwächer [37]. Die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren ist bei Raumtemperatur niedrig und bei niedrigen Temperaturen sogar noch niedriger.

Es gibt eine Reihe von Studien, darunter die Dissertation “Tribologisches Verhalten des Kontakts PCTFE/Stahl 440C in Stickstoff bei kryogener Temperatur”, in der die verschiedenen Reaktionen von Polymeren diskutiert werden.

Sources :

J.-L. Bozet. Modelling of friction and wear for designing cryogenic valves. Tribology International, 34(4) :207 – 215, 2001.

[26] P. Adjadj. Influence du milieu cryotechnique sur le comportement tribologique des matériaux hétérogènes – Etude en glissement sec dans l’azote liquide. PhD thesis, Université
Paris 6, 1988.

[27] A. R. Lansdown. Low temperature lubrication. Technical report, Swansea Tribology Centre (for the European Space Agency), 1978.

[28] R. Gras. Etude de traitements de surface applicables sur les roulements cryotechniques.
Technical report, Convention S.E.P./I.S.M.C.M., n°523036, 1986.

[29] M. Fontanille and Y. Gnanou. Structure moléculaire et morphologie des polymères. Techniques de l’ingénieur, A 3 042 :1–28, 1994.

[30] G.M. Bartenev and V.V. Lavrentev. Chapter 1 : Structure and physical properties of
polymers. In Lieng-Huang Lee and K.C. Ludema, editors, Friction and Wear of Polymers,
volume 6 of Tribology Series, pages 1 – 29. Elsevier, 1981.

[31] J.-F. Bonnet. Polymères fluorés. Techniques de l’ingénieur, AM 3 390 :1–20.